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1 2012 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2012A126 카린시안적용구간지보패턴설계사례 A Case of Design of Support Pattern in Sections of the shallow tunneling method using cut and cover structure 김영덕 *, 신현강 *, 임상만 *, 우성원 *, 신현곤 * Young-Duck Kim *, Hyeon-Kang Shin *, Sang-Man Lim *, Sung-Won. Woo *, Hyeon-Kon Shin * Abstract Since the site elevation of Railway Depot was planned to separate 5~6m from the Top End of main line of Tunnel, it was necessary to insure the tunnel stability at a shallow depth. Hence, Caninthian Cut and Method was applied to prevent the excessive slope cut of Cut and Cover tunnel section and solve the high cost problem of reinforcement method. The construction sequences are as follows; First step is to excavate the soil cover of the Tunnel. Then, the arch crown concrete structure is constructed and back filled. The rock grade was measured considering the site characteristic, that is, fault fractured zones of the specific sections. The validity of support patterns of Caninthian Cut and Cover Method was evaluated comprehensively regarding previous construction cases and numerical analysis results. Keywords : Carinthian Cut and Cover Method, fault zones, support pattern, numerical analysis 초록ㅇㅇ차량기지부지계획고 (E.L m) 가본선ㅇㅇ터널천단부와 5~6m 이격되어계획됨에따라저토피구간의터널안정성확보를위하여터널상부토피를굴착하고크라운아치콘크리트구조물을시공한다음다시되메움을실시하여개착구조물의비탈면과다절취와보강공법의고비용문제를해결할수있는카린시안공법을적용하였다. 해당구간의지층이단층파쇄대가발달한지역을고려하여암반등급을선정하였으며, 카린시안공법지보패턴의적정성을기존시공사례, 수치해석결과를종합적으로검토하여선정하였다. 주요어 : 카린시안공법, 단층파쇄대, 지보패턴, 수치해석 1. 서론저탄소녹색친화및저비용고효율차량기지건설에대한요구가증가함에따라차량기지하부를통과하는터널구조물사례가증가하고있다. 특히터널의유효토피고를확보하지못하는저토피터널에는일반적으로강관등의수평보강재를이용하여천단부보강후굴착을실시하거나완전개착공법을채택하는것이일반적이다. 본사업구간에서는차량기지하부에시공될터널의안정성확보대책으로키린시안공법을적용하였으며터널굴착시안정성확보를위해기존시공사례, 수치해석결과를종합적으로검토하여지보패턴을제안하였다. 교신저자 : 포스코건설토목환경사업본부토목기술그룹 (wrapping@poscoenc.com) * 포스코건설토목환경사업본부

1 공법개요카린시안공법은저토피구간의터널통과를위하여터널상부토피를굴착하고크라운아치 (Crown

2 2. 본론 2.1 카렌시안공법 공법개요카린시안공법은저토피구간의터널통과를위하여터널상부토피를굴착하고크라운아치 (Crown Arch) 콘크리트구조물을시공한다음다시되메움을실시하여개착구조물의비탈면과다절취와보강공법의비용문제를해결하는공법이다.(Fig 1.) 터널굴착시상부토피의붕괴를방지하는저토피구간에서의반개착터널공법으로 1984년처음으로시공된굴착공법이다. Fig. 1 Concept of Carinthian method 본공법의적용대상은일반적으로다음과같이 1 터널토피가충분치않아 NATM 터널시공이어려운저토피구간, 2 장기간개착토공을유지하기가곤란한저토피구간, 3 가시설시공에필요한대형장비의진입등이곤란한구간에적용한다 시공순서본공법의일반적인시공순서는 Table 1. 과같이터널상부를개착하고마이크로파일을설치한후방진매트를설치하고아치슬래브를시공하며되메우기를통한원지반복원후본선터널을시공한다. Table. 1 Construction sequence 1 단계 2 단계 3 단계 4 단계 터널상부개착 마이크로파일설치 방진매트설치 아치슬래브철근조립 슬래브콘크리트타설 상부되메우기 모수터널시공

2.1.3 사례검토국내사례로는전라선 1공구해룡터널, 중앙선 3공구월문터널, 경전선 5공구용담터널및호남고속철도 1-2공구갈산터널에서적용한사례가있으며, 해외사례로는독일 NeuenBerg 터널, 일본신칸센야에하라터널, 브라질철도타구아팅가터널건설공사등이있다.(Table.

Construction Case of Carinthian Method 구분국내사례국외사례 전라선 1 공구해룡터널 독일 NeuenBerg Tunnel 대표사례 기타사례 중앙선 3 공구월문터널 경전선 5 공구용담터널 호남고속철도 1-2 공구갈산터널

터널 2.2 카린시안공법계획 2.2.1 카린시안적용현황동해남부선 00차량기지건설공사는울산광역시울주군청량면덕하리임야지역에위치하며시설규모는전동차 28편성에대한유치시설 1식, 전동차 56편성의정비에필요한경수선 / 중수선시설각 1식및기타차량기지운용, 관리를위한부대시설 1식으로구성되어있다.

3 2.1.3 사례검토국내사례로는전라선 1공구해룡터널, 중앙선 3공구월문터널, 경전선 5공구용담터널및호남고속철도 1-2공구갈산터널에서적용한사례가있으며, 해외사례로는독일 NeuenBerg 터널, 일본신칸센야에하라터널, 브라질철도타구아팅가터널건설공사등이있다.(Table. 2) Table 2. Construction Case of Carinthian Method 구분국내사례국외사례 전라선 1 공구해룡터널 독일 NeuenBerg Tunnel 대표사례 기타사례 중앙선 3 공구월문터널 경전선 5 공구용담터널 호남고속철도 1-2 공구갈산터널 일본신칸센야에하라터널 브라질철도타구아팅가터널 독일 B27 터널 2.2 카린시안공법계획 카린시안적용현황동해남부선 00차량기지건설공사는울산광역시울주군청량면덕하리임야지역에위치하며시설규모는전동차 28편성에대한유치시설 1식, 전동차 56편성의정비에필요한경수선 / 중수선시설각 1식및기타차량기지운용, 관리를위한부대시설 1식으로구성되어있다. 특히차량기지하부에동해남부선 0공구본선 00터널이계획되어있다. 기본계획시차량기지부지계획고가 E.L 142m로계획되어차량기지하부에위치한본선터널과 1D이상이격되었으나, 기본설계시검수운용효율성을극대화시키기위하여완전관통형배선으로변경계획하였다. 이에따라장대레일설치및관련설계기준준수를위하여부지계획고를 E.L m로선정하였다.(Fig 2.) 따라서차량기지하부에위치한동해남부선본선 00터널천단부와 5~6m 이격되어계획됨에따라저토피구간의터널안정성확보가필요하여카린시안공법을적용하여 00터널안정성을확보하도록계획하였다. (a) min. Radius of Longitudinal curve (b) min. the front free distance Fig. 2 Selected Reason of the depot height

2.2.2 지반특성분석ㅇㅇ터널을포함한차량기지부지지역은사암과이암이호층을이루는퇴적암이분포하며, 터널종점지역에국부적으로응회암이분포한다. 퇴적암은고결화된백악기퇴적암으로강도측면에서는결정질암석과큰차이가없어양호한지반상태를형성하지만수차례의지질작용으로지역에따라단층파쇄대가발달하여매우취약한지반상태를보인다. 지반특성은상부의토사층은 0.3~4.

4 2.2.2 지반특성분석ㅇㅇ터널을포함한차량기지부지지역은사암과이암이호층을이루는퇴적암이분포하며, 터널종점지역에국부적으로응회암이분포한다. 퇴적암은고결화된백악기퇴적암으로강도측면에서는결정질암석과큰차이가없어양호한지반상태를형성하지만수차례의지질작용으로지역에따라단층파쇄대가발달하여매우취약한지반상태를보인다. 지반특성은상부의토사층은 0.3~4.0 m 두께로비교적얇게분포하며, 풍화대발달이미약한것이특징이며, 연암내지경암의분포심도가낮아저토피를형성하는계곡부에서도기반암이분포한다. 전기비저항탐사에의한저비저항이상대와시추조사에서확인된지질이상대는총 3 개소에서확인되는데, 58km200, 58km400, 58km550 지점에해당된다.(Fig 3.) 이구간의 RQD 는 0~35 % 정도로매우불량한암질상태이며, 절리면에단층활면이발달하여단층파쇄대로평가하였다. 터널구간에서나타나는지질이상대의규모는다음 Table 3. 과같다. Fig 3. Distribution of the fault fracture zones Table. 3 The scale of fault fracture zones 구분 F2 F3 F4 방향 N60E N62E N57E 경사 ( ) 65NW 50NW 40NW 순폭 (m) 3~5 3~5 1~2 비고 단층파쇄대 단층파쇄대 파쇄대 특히, N60E 내지 N62E 방향으로추정되는 F2 와 F3 단층파쇄대의규모 ( 순폭 ) 가 3~5m 로가장크게나타나는데, 터널계획고까지매우불량한암질상태로터널시공시안전대책이요구된다. 터널의암반등급은기본계획시 Ⅱ~Ⅲ등급이 90%, Ⅳ~Ⅴ등급이 10% 이하로전체적인지반이매우양호한암반으로평가되었으나, 상세조사결과단층파쇄대가다수발달하여 Ⅱ~Ⅲ등급이 34%, Ⅳ~Ⅴ등급이 66% 정도로전체적으로불량한암질상태로평가되었다. 2.3 터널안정성검토 해석개요표준지보패턴은터널구간의암반분류결과를토대로구간별지형, 지질, 터널단면및기타영향요소에대한종합적인분석을거쳐결정하였으며, 계획된지보패턴은시공시현지여건에따라변경또는조절이가능하도록설계에반영하였다.

5 기존카린시안공법시공사례및수치해석결과를종합적으로분석한굴진장, 숏크리트, 록볼트, 격자지보재등의터널지보량은다음 Table 4. 와같다. Table. 4 The support pattern of previous construction cases 노티터널 ( 호남고철 2-1) 갈산터널 ( 호남고철 1-2) 용담터널 ( 경전선 5) 구분 CD-1 CD-2 CD-3 CD-1 CD-1 굴진장 1.5/ / / / /1.0 록볼트 길이 (m) 종 / 횡방향 1.5/ / / / /1.2 격자지보규격 / 간격 50X20X30 1.5m 50X20X30 1.2m 50X20X30 1.0m 95X22X32 1.0m 70X20X30 1.0m 카린시안공법을고려한터널굴착의안정성검토를위해시공단계구현및대상구간의지형, 지반조건, 보강공법적용에따른시공순서를최대한고려하여안정성을검토하였다.(Fig 5.) Fig 5. Numerical modeling 터널안정성해석에적용한물성치및해석단계는 Table 5. 와 Table 6 과같다. Table. 5 Properties of support patterns 구분 단위중량 (kn/m 3 ) 점착력 (kpa) 마찰각 ( ) 변형계수 (MPa) 포아송비 Ⅱ 등급 , Ⅲ 등급 , Ⅳ 등급 , Ⅴ 등급 Table 6. Construction sequence 시공단계 시공내용 시공단계 시공내용 1단계 초기화 7단계 상부굴착 2 단계 Ko 8 단계상부 Soft S/C + 상부 R/B 3 단계원지반굴착 ( 차량기지 ) 9 단계상부 Hard S/C 4 단계터파기 10 단계하부굴착 5 단계카린시안시공 11 단계하부 Soft S/C + 하부 R/B 6 단계되메우기 12 단계하부 Hard S/c

6 2.3.2 해석결과분석카린시안공법적용구간에대해발생하는천단침하는최대 2.66mm 로내공변위에비해상대적으로작게발생하였고, 록볼트축력은최대 74.1kNd 로허용치 86kN 이내로, 숏크리트인장응력은최대 1.43Mpa 로허용치 3.26MPa 이내로나타나터널안정성을충분히확보하는것으로분석되었다.(Fig 6.) (a) Stress of Rock bolt (b) Stress of Shotcrete Fig 6. The results of tunnel analysis 3. 결론장대레일부설시최소종곡선반경과차체세척고전방여유거리확보에대한설계기준을만족시키기위하여부지계획고를 E.L m 로선정으로하였고이로인하여향후시공될터널의저토피구간에대한안정성확보를위해카린시안공법을적용하였다. 차량기지건설후하부를통과하는터널의저토피구간의통과방안으로서카린시안공법을적용하였고지보패턴설계를하면서다음과같은결론을얻을수있었다. 기존시공사례와지반조건을종합하여지보패턴을선정하였으며시공조건을고려하여터널의안정성검토를수행하였으며천단부침하가미소하게발생하고, 지보재에발생하는부재력모두허용치이내로터널의안정성을충분히확보하는것으로평가되었다. 향후본논문을바탕으로저토피구간을통과하는터널의설계에서카린시안공법의지보패턴설계에참고가되기를기대하고자한다. 참고문헌 (1) 한국철도시설공단 (2010), 동해남부선덕하차량기지건설공사기본설계보고서 (2) 이인기, 박상찬, 김기태, 이명섭, 박인복 (2010), 기존하천하부통과를위한카린시안공법의적용-호남고속철도ㅇ-ㅇ공구건설공사를중심으로, 터널기술학회지, Vol.12 No.2, p75-84.

1. 터널거동과 관련된 요인

터널 굴착중 취약지반조건에서 과다변위 및 붕락유형분석 김낙영 건설환경연구실 / 수석연구원 1. 터널거동과 관련된 요인 1. 터널거동과 관련된 요인 지형, 지질적 조건 Number 1 시공중 터널은 4차원 거동 미굴착 구간의 강도에 좌우 해저터널은 고수압 터널굴착거동시 Arching Effect v Arching Effect(하중전이현상) : 응력 재분배 v